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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002178-3

Late Quaternary evolution and carbon cycling of tropical peatlands in equatorial Southeast Asia

  • Peatlands are an important component in the global carbon cycle as they act as both long-term sinks for carbon dioxide and significant sources for methane. Over the Holocene period (the past 11,700 years) continuous CO2 uptake by peat accumulation exceeded methane emissions in northern peatlands and resulted in a net-radiative cooling effect on the global climate.Although 11% of the global peatland area is located in the tropics, the role of tropical peatlands in the global carbon cycle and in influencing the Earth’s radiative budget has not been resolved. Climate-carbon cycle models have thus far not included tropical peatlands because reliable data on their past rates of carbon uptake and release are not available. In this thesis this problem has been approached by reconstructing peatland expansion and rates of carbon storage and release over the Late Quaternary (Latest Pleistocene and Holocene) for the largest tropical peatland area, which is located in equatorial SoutheastAsia (i.e. Sumatra, Borneo, Peninsular Malaysia). Peat accumulation in the tropics remains an enigmatic phenomenon, because the constantly high temperatures of 26-27°C should theoretically drive rapid soil carbon turnover and thus not enable the accumulation of peat. Therefore this thesis also explores the mechanisms that cause peat formation in the SoutheastAsian tropics as well as the drivers behind changing rates of carbon accumulation. Carbon dynamics were analyzed at the regional scale (103–105 km2) of SoutheastAsia over millennial timescales (paper, I, II) and at the local scale (101–102 m2) of a peatland site on annual to centennial timescales (paper III, IV). Paper I presents the first systematic classification of the nearly 160,000 km2 SoutheastAsian lowland peatlands (below 70 m a.s.l.) into geographic peatland types. The peatlands were divided into 1) coastal peatlands of PeninsularMalaysia, Sumatra, and Borneo (~130,000 km2) and into inland peatlands (~30,000 km2) of 2) Central Kalimantan (southern Borneo), 3) the Kutai basin (eastern Borneo), and 4) the Upper Kapuas basin (western Borneo). Coastal peatlands formed by primary mire formation directly on freshly exposed marine or mangrove soils with the lowering of the sea level during the Late Holocene. In contrast, inland peatlands formed via paludification on either terrestrial sand soils (Central Kalimantan) or by both paludification and terrestrialization (Kutai basin, Upper Kapuas basin). The sequence of peatland initiation was established by applying the common cumulative basal date frequency approach (paper I). This method revealed clear differences in the timing of peatland initiation: 1) the Upper Kapuas peatlands are the oldest postglacial peat formations and date from 20,000-13,000 cal BP (calendar years before present), 2) inland Central Kalimantan peatlands date from 14,500-9000 cal BP, 3) the Kutai peatlands date from 8300-4900 cal BP, and 4) and the coastal peatlands date from 7700-200 cal BP. Coastal peatlands have a Holocene average carbon accumulation rate of 77 g C m-2 yr-1, being recognized as the globally most effective terrestrial ecosystems in terms of long-term carbon sequestration. Except for the Kutai peatlands, the Holocene average carbon accumulation rates of inland peatlands are significantly lower (20-30 g C m-2 yr-1) and very similar to the average long-term rates of northern peatlands. Fluctuations in past rates of carbon accumulation of SoutheastAsian peatlands could for the first time be linked to paleoclimatic changes, primarily variations in moisture availability (paper I, II). Hydroclimatic influences on carbon accumulation rates were related to shifts in the mean position of the Intertropical Convergence Zone, changes in the intensity of theAustral-Asian monsoon system, and variations in the frequency of the El Niño- Southern Oscillation. In contrast, peatland initiation and expansion was driven by sea-level change (paper I, II). The deglacial rise in sea-level is identified as the primary driver for inland peatland formation in Borneo, because the rising sea-level 1) lowered the hydrological gradients in the SoutheastAsian island archipelago inducing rising ground and surface water levels on these islands, and 2) led to higher atmospheric moisture availability due to the associated expansion of marine water masses on the shelf floor. Paper II shows that inland peatland initiation and expansion was most extensive during deglacial meltwater pulses, when the rate of sea-level rise exceeded 10 mm yr-1. Only when the rate of sea-level rise had slowed down to a threshold of 2.4 mm yr-1 by ~7000 cal BP could peat accumulation along the coasts keep up with the sea-level rise and coastal peatlands could form. Hydro-isostatic adjustment of the Sunda Shelf led to a sea-level lowering by ca. 5 m over the past 4500 years. Falling sea levels exposed extensive marine areas that were rapidly colonized by peat swamp forests.Anewly 140 developed method for the reconstruction of past peatland area based on transfer functions (paper II) reveals that 70%of the peatlands of Sumatra and Kalimantan only formed during the past 4000 years.Moreover, this new transfer function approach shows that the common basal dates approach overestimated the extent of peatlands in the past. This method, in general, leads to higher rates of reconstructed cumulative peat carbon uptake for the past. By combining reconstructed peatland areas and mean rates of carbon accumulation over millennial timescales from each peatland type the carbon uptake of all peatlands from Sumatra and Kalimantan could be quantified for the past 15,000 years (paper II). Carbon uptake remained below 1 Teragram (Tg) C yr-1 from 15,000-5000 cal BP because the total area of peatlands was less than 30,000 km2. Rapid peatland expansion driven by the lowering of sea-level over the past 5000 years increased carbon uptake on Sumatra and Kalimantan to over 7 Tg C yr-1 and resulted in an exponential growth of the regional peat-carbon reservoir to a size of over 20 Pg C. SoutheastAsian peatlands therefore had no significant role in the Late Pleistocene and Early Holocene global carbon cycle. However, because of their rapid expansion after 5000 cal BP by over 100,000 km2 the peatlands of SoutheastAsia became a globally important carbon sink during the Late Holocene and likely caused an atmospheric CO2 drawdown of 1-2 ppm (paper II). This previously unrecognized biospheric carbon sink partly compensated for contemporaneous terrestrial carbon losses associated with the desertification of Northern Africa. The mechanisms that enable high rates of carbon accumulation of coastal peatlands were explored in a peat core study presented in paper III. Here the use of a new coring technique for the tropics and the application of noninvasive geophysical measurements were employed to derive a high-resolution record of carbon accumulation rates. This study provides the first description of peatland pools for SoutheastAsia, which form as tip-up pools from falling trees such as Shorea albida. Based on a pollen and macrofossil record a fossil tip-up pool could be identified in the core and an associated carbon accumulation rate of 100 to over 900 g C m-2 yr-1 determined. Thus tip-up pools function as local hot spots for carbon accumulation, fundamentally different from northern hemisphere peatland pools, which act as net-carbon sources. From a time-series of aerial photographs the rate of tree fall and thus pool formation was determined at 0.4 tree ha-1 yr-1 (paper III).Asimulation model indicates that up to 60%of the peat deposited in peat domes of Borneo is derived from filled up fossil pools – changing the paradigm that Southeast Asian peatlands mainly form from belowground biomass and providing an explanation for the rapid carbon accumulation of these ecosystems. The climate impact of peatlands is, however, not only related to their capacity to rapidly store carbon, because peatlands also release the strong greenhouse gas methane – a by-product of anaerobic decomposition.Ametaanalysis of methane emission data from SoutheastAsian peatlands (paper IV) shows that their average annual methane release of 3 g CH4 m-2 yr-1 is lower than the average annual release of ~9 g CH4 m-2 yr-1 from northern peatlands, although the higher tropical soil temperatures should lead to significantly higher emissions. The limited degree of anaerobic decay is explained by the recalcitrance of the deposited biomass, which contains high amounts of lignin and tannin, providing another explanation for rapid carbon accumulation. Low anaerobic decomposition together with high rates of carbon accumulation imply that limits to vertical peat bog growth in SoutheastAsia are not set by cumulative anaerobic decay as in northern raised bogs. Instead peat bog growth is limited by aerobic decomposition related to water-table lowering as shown by a derived linear relationship between the amount of released CO2 from aerobic peat decomposition and the mean annual depth of the peatland water-table (paper IV). The climatic effect of Southeast Asian peatlands was determined by the global warming potential (GWP) method, which compares carbon uptake with methane emissions in terms of CO2-equivalents. The low methane emissions and high carbon accumulation rates of coastal peatlands result in a net annual uptake of 1340 kg CO2- equiv. ha-1 yr-1 over a 100 year GWP time-horizon. Under natural conditions coastal Southeast peatlands exert a significant net cooling effect on the global climate in contrast to northern peatlands, which have a warming effect or act climatic neutral on this time frame. It can be concluded that the tropical peatlands of SoutheastAsia are the strongest carbon sinks among all peatlands globally with a notable influence on the Earth’s radiative budget. However, today an estimated 90,000 km2 of peatlands in SoutheastAsia is drained for agriculture (e.g. oil palm plantations) and deforestation. These drained peatlands release annually over 140 Tg C yr-1 from aerobic peat 141 decomposition. Drainage also facilitates the regular spread of peat fires in this region, which on average release around 75 Tg C yr-1. Ongoing total carbon losses (~220 Tg C yr-1) exceed the natural carbon uptake by a factor of 25 and demonstrate that the entire SoutheastAsian peatland region has recently switched from a globally important carbon sink to a globally significant source of atmospheric CO2 (paper II, IV).
  • Moore sind eine wichtige Komponente im globalen Kohlenstoffkreislauf, da sie langfristige Kohlendioxidsenken und bedeutenden Quellen von Methan darstellen. Im Verlauf des Holozäns (die vergangenen 11.700 Jahre) übertraf die kontinuierliche CO2-Festlegung durch Torfakkumulation die Methanemissionen nordischer Moore. Dies führte zu einem Netto-Kühlungseffekt auf das Erdklima. Die Bedeutung tropischer Moore im globalen Kohlenstoffkreislauf und bezüglich der Beeinflussung des Strahlungshaushalts der Erde ist bisher jedoch nicht geklärt, obwohl 11%der weltweitenMoorflächen in den Tropen liegen. Klimamodelle mit integriertem Kohlenstoffkreislauf haben tropische Moore bisher nicht berücksichtigen können, da keine zuverlässigen Daten zu deren langfristiger Kohlenstofffestlegung und –freisetzung existieren. In dieser Dissertation wurde das Problem angegangen, indemMoorausbreitung und Raten der Kohlenstofffestlegung und –freisetzung für das Spätquartär (spätes Pleistozän, Holozän) des größten tropischenMoorgebietes, welches in Südostasien liegt, detailliert rekonstruiert wurden. Torfakkumulation in den Tropen bleibt ein rätselhaftes Phänomen, da die konstant hohen Temperaturen von 26-27°C theoretisch die rasche Umsetzung von Bodenkohlenstoff vorantreiben sollten. Daher wurde in dieserArbeit auch versucht die primärenMechanismen, welche Torfbildung in den südostasiatischen Tropen verursachen, zu identifizieren und die Triebkräfte hinter Veränderungen in Kohlenstoffakkumulationsraten genau zu bestimmen. Die Kohlenstoffdynamik wurde sowohl auf regionaler Ebene (103-105 km2) von Südostasien über tausendjährige Zeitskalen (Artikel I, II), als auch auf lokaler Ebene (101-102 m2) eines Moorstandortes über jährliche bis hundertjährige Zeitskalen untersucht (Artikel III, IV). Artikel I beinhaltet die erste systematische Gliederung der 160.000 km2 südostasiatischer Tieflandsmoore (unter 70 m ü.d.M.) in geographischeMoortypen. DieMoore wurden in 1) Küstenmoore der HalbinselMalaysia, Sumatra und Borneo (~130.000 km2) und in 2) Inlandsmoore (~30.000 km2) von Zentralkalimantan (Südborneo), Kutaibecken (Ostborneo) und Oberes Kapuasbecken (Westborneo) eingeteilt. Küstenmoore entstanden durch primäre Moorbildung direkt auf frisch exponierten marinen Sedimenten oder Mangrovenböden als Folge derMeerespiegelabsenkung im Späten Holozän. Inlandsmoore entstanden durch Versumpfung von terrestrischen Sandböden (Zentralkalimantan) oder durch die Prozesse Versumpfung und Verlandung (Kutaibecken, Oberes Kapuasbecken). Die zeitlicheAbfolge der Moorentstehung wurde durch die kumulative Frequenz basaler Torfdatierungen ermittelt (Artikel I). DieseMethode zeigte klare Unterschiede in der zeitlichenAbfolge derMoorinitiierung: 1) die Moore im Oberen Kapuasbecken sind die ältesten Moorbildungen und datieren auf einen Zeitraum zwischen 20.000-13.000 cal BP (Kalenderjahre vor heute), 2) dieMoore Zentralkalimantans auf 14.500-9000 cal BP, 3) dieMoore des Kutaibeckens auf 8300-4900 cal BP und 4) die Küstenmoore auf 7700-200 cal BP. Mit 77 g C m-2 a-1 besitzen Küstenmoore die höchste holozäne Durchschnittsrate in der Kohlenstoffakkumulation und konnten damit als global effizienteste terrestrische Ökosysteme für langfristige Kohlenstofffestlegung identifiziert werden.MitAusnahme derMoore des Kutaibeckens haben Inlandsmoore deutlich niedrigere holozäne Durchschnittsraten in der Kohlenstoffakkumulation (20-30 g C m-2 a-1) – sehr ähnlich den langfristigen Raten nordischerMoore. Fluktuationen der Kohlenstofffestlegungsraten südostasiatischerMoore in der Vergangenheit konnten erstmalig Schwankungen des Paläoklimas zugeordnet werden, hauptsächlich den Variationen in der Niederschlagsverfügbarkeit (Artikel I, II). Hydroklimatische Einflüsse auf die langfristige Kohlenstoffakkumulation wurden verursacht durch Verschiebungen in der mittleren Position der Innertropischen Konvergenzzone, Veränderungen der Intensität desAustral-AsiatischenMonsunsystems und Variationen in derAktivität der El Niño-Oszillation. Im Gegensatz dazu verursachten postglazialeMeeresspiegeländerungen die Entstehung undAusbreitung von Mooren in Südostasien (Artikel I, II). DeglazialerMeeresspiegelanstieg wurde als notwendige Randbedingung fürMoorbildung im Inland von Borneo identifiziert, da der ansteigendeMeeresspiegel den hydrologischen Gradienten im südostasiatischenArchipel verringerte. Dies erhöhte den Grund- und Oberflächenwasserspiegel auf den Inseln. Zusätzlich führte die Flutung des Sunda-Schelfs zu höherer atmosphärischer 144 Wasserverfügbarkeit. Artikel II zeigt, dass Moorinitiierung und Moorausbreitung im Inland von Borneo während Phasen besonders schnellenMeeresspiegelanstiegs (sog. deglaziale Schmelzwasserpulse) von über 10 mm yr-1 am größten waren. Erst als vor ca. 7000 Jahren die Rate des Meeresspiegelanstiegs unter den Schwellenwert von 2.4 mm a-1 fiel, konnte Torfakkumulation entlang der Küste mit der postglazialen Transgression mithalten und Küstenmoore entstehen lassen. Die hydroisostatische Senkung des Sunda-Schelfs führte über die letzten 4500 Jahre zu einerMeeresspiegelabsenkung von ca. 5 m. Der fallendeMeeresspiegel legte großflächigMeeressedimente undMangrovenböden frei, welche direkt von Hochmoorwäldern besiedelt wurden. Eine neu entwickelte Methode zur genauen Rekonstruktion früherer Moorflächen basierend auf Transferfunktionen (Artikel II) verdeutlicht, dass 70%der Gesamtmoorfläche von Sumatra und Kalimantan erst während der letzten 4000 Jahre, überwiegend entlang der Küsten, gebildet wurden.Außerdem zeigt der neue Transferfunktionenansatz, dass die herkömmlicheMethode der kumulativen Frequenz basaler Datierungen dieMoorfläche in der Vergangenheit überschätzte. Damit führt letztereMethode grundsätzlich zur Ermittlung zu hoherMengen gespeicherten Kohlenstoffs inMooren in der Vergangenheit. Die Integration von rekonstruierten Moorflächen mit mittleren tausendjährigen Raten von Kohlenstoffakkumulation für die vierMoortypen ermöglichte es, die Kohlenstofffestlegung von allenMooren Sumatras und Kalimantans (Indonesisch Borneo) für die letzten 15.000 Jahre zu quantifizieren (Artikel II). Die Kohlenstofffestlegung blieb unter 1 Teragramm (Tg) C a-1 von 15.000-5000 cal BP, da die verfügbare Moorfläche mit weniger als 30.000 km2 relativ gering war. SchnelleMoorausbreitung während der letzten 5000 Jahre, ermöglicht durch die Meeresspiegelabsenkung, führte zu einem rasanten Anstieg der regionalen Kohlenstofffestlegungsrate bis zu mehr als 7 Tg C a-1 und damit zu einem exponentiellenWachstum des Torf- Kohlenstoffspeichers zu über 20 Petagramm (Pg) C. SüdostasiatischeMoore spielten daher keine bedeutende Rolle im spätpleistozänen und frühholozänen globalen Kohlenstoffhaushalt. Wegen der massiven Flächenzunahme von über 100.000 km2 über die letzten 5000 Jahre sind südostasiatischeMoore eine global bedeutende Kohlenstoffsenke während des Späten Holozäns geworden und reduzierten den atmosphärischen CO2 Gehalt um geschätzte 1-2 ppm (Artikel II). Diese bisher unerkannt gebliebene biosphärische Kohlenstoffsenke hatte daher zum Teil zeitgleiche terrestrische Kohlenstoffverluste im Späten Holozän, überwiegend als Folge der Desertifizierung Nordafrikas, kompensiert. DieMechanismen, welche die hohen Kohlenstoffakkumulationsraten der Küstenmoore ermöglichten, wurden in einer Torfkernstudie untersucht (Artikel III).Mittels Nutzung einer neuen Bohrtechnik für die Tropen und der Anwendung nicht-invasiver geophysikalischer Messungen konnte eine zeitlich hochauflösende Rekonstruktion von Kohlenstoffakkumulationsraten erreicht werden. Diese Studie ist gleichzeitig die erste Darstellung der Kohlenstoffdynamik von stehendenMoorgewässern in Südostasien, die durchWindwurf von Bäumen (z.B. Shorea albida) in dadurch ausgehobenen Bodenöffnungen entstehen (tip-up pools). Basierend auf Pollen- und Makrofossildaten konnte ein fossiler (gefüllter) Pool mit einer entsprechenden Kohlenstoffakkumulationsrate von 100 bis über 900 g C m-2 a-1 identifiziert werden. Tip-up pools funktionieren als lokal bedeutsame Kohlenstoffsenken innerhalb einzelner Moore und damit grundsätzlich anders als Moorgewässer nördlicherMoore, welche als Kohlenstoffquellen agieren. Durch die Zeitreihenanalyse von Luftbildern wurde eine gegenwärtige Rate von Baumwurf (und gekoppelter Poolbildung) von 0,4 Bäumen ha- 1 a-1 bestimmt (Artikel III). Berechnungen eines Simulationsmodels ergeben, dass bis zu 60%des Torfkörpers der Hochmoore Borneos aus aufgefüllten Pools bestehen können – was das bestehende Paradigma der Wurzeltorfbildung teilweise ersetzt und eine Erklärung für die allgemein hohen Kohlenstoffakkumulationsraten liefert. Der Klimaeinfluss vonMooren ist jedoch nicht nur auf deren Kapazität Kohlenstoff zu speichern zu reduzieren, sondern ist auch eine Funktion der emittiertenMenge des starken TreibhausgasesMethan – ein Endprodukt von anaerobemAbbau organischer Substanz. EineMetaanalyse vonMethanemissionen südostasiatischerMoore (Artikel IV) belegt, dass der jährliche durchschnittlicheMethanausstoß von 3 g CH4 m-2 a-1 geringer ist, als der jährlicheAusstoß von durchschnittlich 9 g CH4 m-2 a-1 aus nordischenMooren, obwohl die hohen tropischen Bodentemperaturen bedeutend höhereMethanemissionen ermöglichen sollten. Der geringe anaerobeAbbau wird durch die Rekalzitranz der abgelagerten Biomasse, die einen hohen Lignin- und Tanningehalt aufweist, verursacht und stellt eine weitere Erklärung für die hohen Kohlenstoffakkumulationsraten tropischerMoore dar. Geringer anaerober Torfabbau zusammen mit hohen Raten von Kohlenstoffakkumulation bedeutet, dass Hochmoorwachstum in Südostasien nicht durch kumulativen anaerobenAbbau begrenzt ist, wie in einigen 145 nordischen Hochmooren. Das Höhenwachstum derMoore ist dagegen durch aeroben Torfabbau limitiert. Dieser wird durchWasserstandsabsenkung verursacht, wie es sich anhand einer hergeleiteten linearen Beziehung von CO2-Freisetzung aus aerober Torfmineralisierung und dem mittleren, jährlichenWasserstand inArtikel IV zeigt. Der Klimaeffekt südostasiatischer Moore wurde durch die Treibhauspotential-Methode, welche Kohlenstoffakkumulation mit Methanausstoß in CO2-Equivalenten vergleicht, ermittelt. Die geringen Methanemissionen und die hohen Kohlenstoffakkumulationsraten der dominierenden Küstenmoore resultieren in einer Netto-CO2 Speicherung von 1340 kg CO2-equiv. ha-1 a-1 ermittelt für einen 100-jährigen Zeithorizont. Unter natürlichen Bedingungen haben südostasiatische Küstenmoore somit ein deutlich kühlendes Treibhauspotential - im Gegensatz zu nordischenMooren, die auf diesem Zeithorizont klimaerwärmend oder allenfalls klimaneutral wirken. Es kann geschlussfolgert werden, dass die tropischenMoore Südostasiens die räumlich stärksten Kohlenstoffsenken aller globalen Moortypen darstellen und natürlicherweise einen deutlichen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde haben. Allerdings sind gegenwärtig schon geschätzte 90.000 km2Moorfläche in Südostasien für Landwirtschaft (z.B. Ölpalmplantagen) und fürAbholzung entwässert. Diese dräniertenMoorflächen emittieren jährlich über 140 Tg C a-1 durch aeroben Torfabbau. Die Entwässerung ermöglicht außerdem dieAusbreitung vonMoorbränden, die zusätzlich jährlich ca. 75 Tg C a-1 freisetzen. Die gegenwärtigen anthropogen verursachten Kohlenstoffverluste (~220 Tg C a-1) übersteigen die natürliche jährliche Kohlenstofffestlegung mit einem Faktor von 25 und belegen, dass sich rezent die gesamte Moorregion Südostasiens von einer global bedeutsamen Kohlenstoffsenke zu einer global bedeutenden Quelle für CO2 gewandelt hat (Artikel II, IV).

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Author: René Dommain
Title Additional (German):Spätquartäre Entwicklung und der Kohlenstoffkreislauf tropischer Moore in Äquatorial-Südostasien
Advisor:Prof. Dr. Paul Glaser, Prof. Dr. Hans Joosten
Document Type:Doctoral Thesis
Date of Publication (online):2015/03/16
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/03/05
Release Date:2015/03/16
Tag:Holocene, Peat swamp forest, Southeast Asia, carbon, peatland
GND Keyword:Hochmoor, Holozän, Kohlendioxid, Kohlenstoff, Meeresspiegel, Methan, Moor, Quartär, Regenwald, Südostasien, Torf, Tropenwald
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie